Литийметаллические аноды обладают чрезвычайно высокой теоретической удельной емкостью (3860 мА·тг) и самым низким электрохимическим потенциалом (-3,040 В (по сравнению с SHE)), что делает их электродами «Святого Грааля» среди многих электродных материалов. Литий-металлические батареи включают литий-серные и литий-кислородные батареи. Литий-серные батареи имеют плотность энергии примерно 2600 Вт·ч/кг, а литий-кислородные батареи имеют плотность энергии примерно 3500 Вт·ч/кг, что примерно в 7 и 10 раз выше, чем у обычных литий-ионных батарей соответственно. Таким образом, литий-металлические батареи считаются одной из наиболее перспективных систем хранения энергии и главным кандидатом на создание аккумуляторных систем следующего поколения, привлекая значительное внимание. Однако из-за проблемы с дендритом лития первые литий-металлические батареи можно было применять только в определенных специализированных областях, и их коммерциализация была отложена.
Литий-металлические аккумуляторные батареи были изобретены еще в 1970-х годах и широко использовались в часах, калькуляторах и других электронных устройствах.
Литий-металлические батареи широко используются в электроприборах и портативных медицинских приборах. Однако их коммерциализации препятствуют определенные дефекты металлического лития. Являясь членом первой группы периодической таблицы, атомы лития имеют только один электрон во внешней оболочке, что делает их очень химически активными, поскольку они легко теряют этот электрон. При контакте с органическим электролитом металлический литий образует на его поверхности пленку, называемую границей раздела твердого электролита (SEI). Основная функция этой пленки — изолировать металлический литий от электролита, предотвращая дальнейшую коррозию лития. Однако из-за значительного изменения объема металлического лития во время зарядки и разрядки пленка SEI часто разрывается. Открытая поверхность свежего металлического лития снова вступает в реакцию с электролитом, образуя новую пленку SEI. Этот процесс не только способствует росту дендритов лития вдоль трещин, но также может проникнуть в сепаратор внутри батареи, вызывая короткое замыкание. При возникновении короткого замыкания внутри батареи выделяется большое количество тепла, что в крайних случаях может привести к возгоранию или взрыву, серьезно влияя на показатели безопасности и конкурентоспособность литий-металлических батарей. Кроме того, по мере увеличения количества дендритов лития они предоставляют больше возможностей отрицательному электроду вступить в контакт с электролитом, тем самым ускоряя скорость побочных реакций. Эти необратимые процессы потребляют электродные материалы и электролиты, снижая плотность энергии и кулоновский КПД батареи. После длительного использования многие дендриты лития покрываются вновь образованной пленкой SEI и не могут участвовать в нормальных электрохимических реакциях; одновременно дендриты лития вблизи подложки быстро разлагаются, вызывая «мертвый» литий, то есть эта часть лития становится электрохимически неактивной, что значительно снижает общую производительность батареи. За последние 40 лет достигнут значительный прогресс в исследовании и моделировании механизмов образования дендритов лития.
Одной из наиболее распространенных стратегий подавления роста дендритов является повышение стабильности и постоянства слоя интерфейса твердого электролита (SEI) на поверхности металлического лития путем регулирования состава электролита и добавления определенных веществ. Однако, поскольку металлический литий термодинамически нестабилен в органических добавках, формирование эффективного пассивирующего слоя на его поверхности в среде жидкого электролита является весьма сложной задачей. Помимо оптимизации слоя SEI, введение полимеров или твердых барьерных слоев с высокой механической прочностью также может быть эффективным средством предотвращения проникновения дендритов в сепаратор. Эти методы направлены на предотвращение повреждения сепаратора дендритом лития за счет улучшения механических свойств слоя SEI или самого сепаратора, но не устраняют принципиально проблему образования дендритов. Хотя до полного преодоления этой проблемы еще далеко, а аккумуляторы на основе литий-металлических анодов-еще не широко доступны на рынке, исследователи теоретически предложили несколько концептуальных конструкций литий-металлических батарей, демонстрируя потенциал практического применения. Среди них литий-серные батареи, в которых в качестве катодного материала используется сера, и литий-кислородные батареи, в которых в качестве активного материала катода используется кислород, привлекли значительное внимание благодаря своим уникальным преимуществам и считаются двумя весьма коммерчески перспективными полностью-ячеечными системами. Литий-серные батареи-обладают чрезвычайно высокой плотностью энергии (около 2600 Вт·кг) и широко признаны в качестве многообещающих кандидатов для аккумуляторных систем хранения энергии следующего-поколения. Что еще более важно, элементарная сера широко распространена в природе и экологически безопасна, что еще раз подчеркивает преимущества литий-серных батарей. Поэтому в последние годы литий-серные батареи привлекли внимание всего мира.
Полисульфидные промежуточные продукты, образующиеся во время зарядки и разрядки литий-серных батарей, растворяются в электролите и перемещаются к отрицательному электроду. Таким образом, подавление литиевых дендритов становится более сложным в присутствии полисульфидных промежуточных продуктов, особенно когда загрузка серы на катоде высока. Полисульфиды могут проникать в пленку SEI и вызывать коррозию свежего металлического лития под поверхностным слоем, что приводит к потере емкости. Следовательно, предотвращение полисульфидного челнока необходимо не только для повышения емкости катода при работе литий-серной-батареи, но также для стабильности пленки SEI и получения отрицательного электрода без дендритов. Благодаря непрерывным усилиям было разработано множество методов, включая положительную ограничивающую область и адсорбцию, модификацию электролита и конструкцию сепаратора. Однако эти методы, по-видимому, больше ориентированы на подавление полисульфидного челнока и повышение степени использования серного катода без прямого подавления роста дендритов в металлическом литий-аноде. Производительность литий-серных батарей зависит от защиты литий-металлического анода. Синергетический эффект различных методов подавления роста дендритов может ускорить практическое применение литий-серных батарей.
Литиевые-кислородные батареи – это тип батареи, в которой в качестве положительного электрода используется кислород из воздуха; их иногда называют литий-воздушными батареями. Теоретическая плотность энергии литий-кислородных батарей достигает 3500 Втч/кг, что намного превышает плотность энергии коммерческих литий-ионных батарей. Таким образом, литий-кислородные батареи стали революционным достижением в области хранения энергии, привлекая внимание всего мира и считаясь сильным конкурентом в системах хранения энергии следующего-поколения.
Как и в случае с полисульфидными промежуточными соединениями, перекрестная-связка кислорода от положительного электрода к литий-металлическому отрицательному электроду в литий-кислородных батареях может привести к постепенному разрушению поверхности металлического лития, что приводит к разложению электролита и образованию LiOH и LiCO3 во время зарядки. Поэтому было разработано несколько стратегий для подавления кислородной перекрестной-сшивки. Помимо проблемы положительного электрода, истощение лития, вызванное ростом дендритов и повреждением пассивационной пленки, серьезно затрудняет использование металлического лития в перезаряжаемых литий-кислородных батареях. Вышеупомянутые стратегии подавления роста литиевых дендритов также применимы к литий-кислородным батареям. За счет добавок к электролиту, модификации сепаратора и конструкции отрицательного электрода производительность литиевых батарей можно значительно улучшить.